ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO TŁUMIKA ODRZUTU OBIEKTU SPECJALNEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 55, ISSN X ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO TŁUMIKA ODRZUTU OBIEKTU SPECJALNEGO Marcin Bajkowski 1a, Zdzisław Lindemann 1b, Anna Makuch 1c, Roman Grygoruk 1d 1 Instytut Mechaniki i Poligrafii, Politechnika Warszawska a granada@pompy.pl, b zr.lindeman@gmail.com, c amakuch1309@gmail.com d roman.grygoruk@gmail.com Streszczenie Przedmiotem pracy jest analiza obciążeń, jakim poddawane jest tłoczysko tłumika magnetoreologicznego będącego sterowanym zderzakiem suwadła małokalibrowej broni ramiennej. Tłumik odrzutu suwadła karabinka AK-47 ma na celu złagodzenie lub wyeliminowanie uderzenia suwadła w korpus komory zamkowej po odryglowaniu zamka. Celem pracy jest określenie obciążeń dynamicznych tłoczyska tłumika oraz analiza wpływu układu tłumiącego na ruch suwadła. Obliczenia wykonano metodą numeryczną wykorzystując system MES ADINA 8.6. Słowa kluczowe: magnetoreologia, tłumiki, wymuszenie impulsowe ANALYSIS OF FORCE PULSE LOADS OF THE PISTONS USED IN MAGNETORHEOLOGICAL DAMPERS OF LARGE CALIBER SPECIAL OBJECTS Summary This article presents the results of an analysis of the loads, which are applied to the piston of the magnetorheological damper. This device is a controlled absorber of a carrier used in small caliber arm weapons. The damper of the recoil of the AK-47 is intended to alleviate or eliminate the impact of the carrier in the body of a breech casing after unlocking the breech s bolt. The aim of the numerical simulation was to determine the dynamic load of the piston of the magnetorheological damper and analysis of the impact of the damping system on the movement of the carrier. The calculations were performed by FEA (Finite Element Analysis) method using ADINA 8.6 system. Keywords: magnetoreology, dampers, force pulse 1. WSTĘP Zastosowanie tłumika odrzutu suwadła karabinka AK-47 ma na celu złagodzenie lub wyeliminowanie uderzenia suwadła w korpus komory zamkowej po odryglowaniu zamka [5,6,7]. Celem obliczeń jest określenie obciążeń dynamicznych tłoczyska tłumika oraz analiza wpływu układu tłumiącego na ruch suwadła. Na rys.1. przedstawiono stanowisko laboratoryjne zbudowane na potrzeby realizacji badań dotyczących zjawiska odrzutu i podrzutu broni ramiennej [3]. Modyfikacji poddana została standar-dowa kolba broni ramiennej, wyposażona w dwa tłumiki magnetoreologiczne, z których jeden umieszczony został w osi kolby, drugi zaś, poprzez odpowiednie układy adaptacyjne, w przestrzeni kolby zgodnie ze schematem modelu układu jak na rys.2. Tłumik znajdujący się w osi kolby połączony jest z korpusem broni, zaś drugi tłumik poprzez specjalną przyłączkę umieszczony jest w torze ruchu suwadła. Przejście impulsu uderzenia suwadła na 5

2 ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO tłumik wymagało dostosowania osłony suwadła broni, co pozwoliło na integralne połączenie tłumika z korpusem broni. Rys. 1. Stanowisko laboratoryjne zbudowane na potrzeby realizacji badań dotyczących zjawiska odrzutu i podrzutu broni ramiennej Możliwość płynnego sterowania oporami ruchu tłumika magnetoreologicznego [8,9] pozwala na taki dobór parametrów tłumienia, aby wyeliminować zjawisko uderzenia suwadła w korpus broni, niezależnie od parametrów dynamicznych i kinema-tycznych układu. Analiza obciążeń tłoczyska tłumika magnetoreologicznego została w niniejszej pracy przedstawiona na przykładzie karabinka AK-47, jednak należy zauważyć, iż możliwość płynnych zmian charakterystyki tłumienia, jaką d magnetoreologiczny, pozwala na jako urządzenia funkcjonal-nego daje zastosowany tłumik uniwersalizację układu [1,2]. Ten sam układ magnetoreologiczny może zostać zastosowany do dowolnej broni samoczynno-samopowtarzalnej. Zmianie ulec muszą tylko wartości natężenia prądów niezbędne do sterowania tłumi-kiem. Metodologia obliczeń, w przypadku zmiany obiektu specjalnego na inny, zmiany jego kalibru, parametrów mas ruchomych oraz sił wymuszających wynikających z różnych rodzajów amunicji, nie ma wpływu na poprawność zaprezentowanej metody symulacji [4]. Parametry użytkowe układów wyposa-żonycmagnetoreologiczne mogą zostać utrzymane niezależnie w tłumiki od rodzaju obiektu specjalnego, wymagane jest tylko prawidłowe dobranie prądu sterowania. Rys. 2.: Schemat modelu ukladu z kolbą wyposażoną w tłumiki magnetoreologiczne (mtz - masa tłoka zaporowego, mk - masa korpusu, mz - masa suwadła, kz - sztywnosć sprężyny powrotnej suwadła, k2 - sztywność sprężyny powrotnej zderzaka, kcz - współczynnik sprężystości ramienia strzelca, ccz - współczynnik tłumienia wiskotycznego ramienia strzelca, xk.-.przemieszczenie korpusu karabinka, xcz - przemieszczenie suwadła, xctz.- przemieszczeniee tłoka zaporowego) 2. MODEL OBLICZENIOWY Opracowano model obliczeniowy, który składał się z trzech współpracujących części: suwadła, zderzaka suwadła i tłumika. Geometrię suwadła i zderzaka suwadła odwzorowano zgodnie z istniejącą dokumentacją, wprowadzając jedynie niewielkie uproszczenia. W modelu ruchomych części tłumika zastąpiono zespół tłoka składający się z korpusu cewki, tulei prowadzącej, podkładki i dwóch tarczek, pojedynczym walcem o tej samej długości i średnicy tak dobranej, aby uzyskać zgodność masy. Efekt tłumienia uzyskano, stosując połączony ze ścianą walca element sprężysty z tłumieniem liniowym proporcjonalnym do prędkości. Między częściami modelu zastosowano kontakt 3D. W obliczeniach przyjęto materiał sprężystoo następujących plastyczny Plastic-Bilinear właściwościach: w przypadku suwadła - Rm=660 [MPa], Re=390 [MPa], zderzaka - Rm=610 [MPa], Re=360 [MPa] i tłoczyska tłumika - Rm=230 [MPa], Re=540 [MPa]. Na rys.3. przedstawiono model z podziałem na elementy skończone. Model MES składał się z czterowęzłowych elementów 3D połączonych w węzłach. W obliczeniach w chwili początkowej suwadło miało prędkość 4 [m/s]. 6

3 Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch, Roman Grygoruk 3. WYNIKI OBLICZEŃ Przeprowadzono trzy serie obliczeń z różnymi wartościami zastępczych współczynników tłumienia wiskotycznego odpowiednio: C=200 [Ns/m], C=300 [Ns/m] i C=400 [Ns/m]. Na zamieszczonych poniżej rysunkach przedstawiono mapy naprężeń zredukowanych w wybranych krokach rozwiązania. Wyniki zamieszczone na rys. 4-8 dotyczą rozwiązania, gdy wartość współczynnika tłumienia wynosi C=200 [Ns/m]. Ilustrują one przesuwającą się wraz ze wzrostem czasu falę naprężeń. Na rys. 9. przedstawiono Rys.3. Model obliczeniowy z podziałem na elementy skończone wykres zmiany prędkości wybranych punktów suwadła i tłoczyska przy zadanym współczynniku tłumienia. Natomiast na rys.10. i rys.11. zaprezentowane zostały przebiegi naprężeń przy wartości współczynnika tłumienia C=400 [Ns/m] w różnej fazie ruchu układu. W celu dokładnego zobrazowania lokalizacji maksymalnych naprężeń występujących w pierwszej fazie ruchu na rys. 10 pokazano w powiększeniu kluczowy obszar mapy. Zmiana współczynnika tłumienia wynika z możliwości programowania prądu sterowania układu magnetoreologicznego. Rys.4. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w początkowej fazie ruchu w chwili t=0, [s] Rys.5. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0, [s] 7

4 ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO Rys.6. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0,00003 [s] Rys.7. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0,00005 [s] Rys.8. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0,00009 [s] 8

5 Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch, Roman Grygoruk Rys.9. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w funkcji czasu Rys.10. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0,00006 [s] przy współczynniku tłumienia C=400 [Ns/m] Rys.11. Rozkład naprężeń zredukowanych σzred [MPa] w chwili t=0, [s] przy współczynniku tłumienia C=400 [Ns/m] Na rys. 12. i rys. 13. zaprezentowano wykresy przemieszczeń i prędkości w funkcji czasu punktów znajdujących się na języczku suwadłaa i na tłoczysku tłumika w sąsiedstwie tłoka (punkt "Pt"). Na rys. 14 zamieszczono przebiegi naprężeń zredukowanych w dwóch punktach tłoczyska: w sąsiedztwie tłoka (punkt "Pt") i przy powierzchni kontaktu ze zderzakiem (punkt "Pz"). Wszystkie wykresy uzyskano w przypadku zastępczego współczynnika tłumienia wiskotycznego o wartości C=200[Ns/m]. Z przebiegu zmian wartości przemieszczeń, które zilustrowano na rys.12., wynika, że praktycznie cały czas suwadło, zderzak i tłoczysko pozostają w kontakcie (krzywe przeplatają się). Ruch powrotny suwadła następuje po przebyciu dystansu około 8 [mm] w czasie 0,009 [s] od momentu uderzenia w zderzak. Maksymalna 9

6 ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO prędkość tłoczyska wynosi Vmax=5060 [mm/s] (rys. 13). Maksymalne naprężenie zredukowane w tłoczysku (rys. 14) osiąga wartość =238 [MPa] i przekracza granicę plastyczności (Re=230 [MPa]) materiału. Rys. 15. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów suwadła i tłoczyska Rys.12. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów suwadła i tłoczyska Rys.16.. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w funkcji czasu Rys.13. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w początkowej fazie ruchu Rys. 17.Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w początkowej fazie ruchu Rys.14. Naprężenia zredukowane w punktach Pt i Pz tłoczyska Na kolejnych czterech rysunkach (rys.15. do rys.18.) zamieszczono, podobnie jak poprzednio, wykresy przemieszczeń, prędkości i naprężeń w tych samych punktach rozwiązania z wartością zastępczego współczynnika tłumienia o wartości C=300 [Ns/m]. Analiza krzywych przemieszczeń, które zilustrowane są na rys. 15., wskazuje, że po upływie czasu 0,0007 [s] następuje odbicie zderzaka od suwadła; powtórny kontakt pojawia się na krótko między 0,0022 [s] i 0,0034 [s], a dalej części pozostają w separacji. Ruch powrotny suwadła zaczyna się po przebyciu 5,2 [mm] w czasie 0,0058 [s]. Prędkość maksymalna tłoczyska różni się od poprzedniej o około 4% i wynosi Vmax=4850 [mm/s]. Maksymalne wartości naprężeń zredukowanych praktycznie są takie same i wynoszą =233 [MPa]. Rys.18.. Naprężenia zredukowane w punktach Pt i Pz tłoczyska Kolejne rysunki (rys.19. do rys.22.) dotyczą rozwiązania przy wartościach zastępczego współczynnika tłumienia C=400 [Ns/m] i podane są w podobnej kolejności jak poprzednio. Kontakt poszczególnych części układu po uderzeniu trwa tylko do czasu 0,0007 [s], po czym następuje odbicie zderzaka od suwadła. Suwadło cofa się po przebyciu drogi 3,2 [mm] w czasie 0,0022 [s]. Maksymalne wartości prędkości i naprężeń zredukowanych tłoczyska pozostają praktyczne na takim samym poziomie jak w poprzednich rozwiązaniach i wynoszą odpowiednio: Vmax= 4680 [mm/s] oraz =242 [MPa]. 10

7 Marcin Bajkowski, Zdzisław Lindemann, Anna Makuch, Roman Grygoruk Rys. 19. Przemieszczenia wzdłużne wybranych punktów suwadła i tłoczyska Rys. 22. Naprężenia zredukowane w punktach Pt i Pz tłoczyska 4. Wnioski Rys. 20. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w funkcji czasu Rys. 21. Prędkość wybranych punktów suwadła i tłoczyska w początkowej fazie ruchuu W pracy przedstawiono analizę impulsowego obciążenia, jakiemu poddawane jest tłoczysko tłumika MR w wyniku uderzenia w nie suwadła małokalibrowej broni ramiennej samoczynno samopowtarzalnej. Wyniki symulacji pozwalają określić mapy naprężeń występujących w tłoczysku tłumika MR, a tym samym umożliwiają identyfikację potencjalnych przekrojów niebezpiecznych występujących w tłoczysku. Zwiększenie wartości zastępczego współczynnika tłumienia wiskotycznego C z 200 [Ns/m] do 400 [Ns/m] znacznie skraca drogę cofania suwadła po uderzeniu (z 8 [mm] do 3,2 [mm]) oraz skraca czas, w którym to następuje (z 0,009 [s] do 0,0022 [s]). Maksymalna prędkość tłoczyska nie zależy od zastępczego współczynnika tłumienia wiskotycznego i pozostaje na poziomie około 5 [m/s]. Maksymalne naprężenia zredukowane w tłoczysku w początkowej fazie ruchu przekraczają o 3,5% do 5% granicę plastyczności materiału i praktycznie nie zależą od wartości współczynnika C. Praca finansowana z programu badań stosowanych (NCBiR) PBS1/A6/10/2012 Literatura 1. Bajkowski M., Floriańczyk A.: Analysis of effect of pulse generated by the special object 12, 7mm equipped in magnetorheological damping system on the thoracic spine. Machine Dynamics Research 2013, Vol. 37, No. 1, p Bajkowski M., Kaniewski J., Radomski M.: Dynamika układu mechanicznego: strzelec amortyzator odrzutu broń palna. Problemy Mechatroniki: Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa 2015, Vol. 6, nr 1 (19), s Bajkowski M., Kucharczyk M., Grygoruk R., Radomski M.: Odrzut hamowany w obiekcie specjalnym 7.62 mm z tłumikiem magnetoreologicznym TR-1.0M. Problemy Mechatroniki : Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria bezpiedydaktyczne do badania wpływu równoległego układu sterowanych tłumików magnetoreologicznych na odrzut zespołu ruchomego. Gliwice: Pol. Śl., 2014, ZN czeństwa 2013, Vol. 4, nr 2 (13), s Bajkowski M., Bajkowski J., Radomski M.: Stanowisko badawczo-dydaktyczne Pol. Śl., Transport z. 82, s Kochański S.: Odrzut hamowany ramiennej broni strzeleckiej. Rozprawa habilitacyjna. Politechnika Warszawska, Instytut tut Budowy Sprzętu Mechanicznego. Prace Naukowe Technika Specjalna 1979, nr Krzysztofik I.: Analiza odruchów strzelca przeciwlotniczych zestawów rakietowych. W: Krajowa konferencja Kierowanie ogniem systemów obrony powietrznej. Kielce: Politechnika Świętokrzyska, 2004, s

8 ANALIZA IMPULSOWEGO OBCIĄŻENIA TŁOCZYSKA MAGNETOREOLOGICZNEGO 7. Procházka S., Novák M.: Effect of inertia forces on function of automatic weapon. AiMT Advances in Military Technology 2008, Vol. 3, No. 2, p Tylikowski A.: Intelligence structures. In: Proceedings of International Conference Mechatronics. Warszawa: Pol. Warsz., 2000 Vol.1, p Wang X., Bossis G., Volkova O., Bashtovoi V., Krakov M.: Active control of rod vibrations using magnetic fluids. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2003, Vol. 14, No. 2, p